Ana Margarida Gonçalves Ferreira. Efeito de alta pressão na diálise de uma solução de uma proteína com sal. Departamento de Química

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1 Universidade de Aveiro 2011 Departamento de Química Ana Margarida Gonçalves Ferreira Efeito de alta pressão na diálise de uma solução de uma proteína com sal

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3 Universidade de Aveiro 2011 Departamento de Química Ana Margarida Gonçalves Ferreira Efeito de alta pressão na diálise de uma solução de uma proteína com sal Dissertação apresentada à Universidade de Aveiro para cumprimento dos requisitos necessários à obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química, realizada sob a orientação científica do Doutor Jorge Saraiva, Investigador Auxiliar do Departamento de Química da Universidade de Aveiro

4 Dedico este trabalho à minha família e amigos, pelo apoio, compreensão e carinho demonstrado durante o meu percurso académico.

5 o júri presidente Prof. Doutor José Joaquim Costa Cruz Pinto Professor Catedrático do Departamento de Química da Universidade de Aveiro Prof. Doutor Jorge Manuel Alexandre Saraiva Investigador Auxiliar do Departamento de Química da Universidade de Aveiro Prof. Doutora Teresa Maria Ribeiro da Silva Brandão Investigadora Auxiliar do Departamento/Faculdade da Universidade Católica Portuguesa

6 agradecimentos Em primeiro lugar, queria agradecer ao meu orientador Doutor Jorge Saraiva pelo apoio, disponibilidade, e pelos conhecimentos que me transmitiu ao longo do desenvolvimento deste trabalho Queria agradecer do fundo do coração aos meus Pais e irmãos, que estiveram sempre lá para mim, especialmente à minha irmã Susana, por sempre me ter apoiado nos momentos em que precisei para a realização deste trabalho Queria agradecer aos meus amigos Marina Matos, Cristina Ferreira, Ana Catarina Santos, Luísa Marinho, Anabel Oliveira, Filipe Silva, Cirilo Rocha, Luís Carta, José, Duarte Lima, Pedro Correia, João Davim, Ana Margarida pelo carinho demonstrado e pela ajuda prestada. Queria deixar também um grande abraço e um grande obrigado ao Ângelo Correia e ao Mickael Santos, pelo apoio e ajuda prestados ao longo da realização deste trabalho.

7 palavras-chave Diálise, purificação de proteínas, alta pressão hidrostática, sal (NaCl), difusão de sal resumo O principal objectivo deste trabalho consistiu no estudo da influência da alta pressão hidrostática na diálise de uma solução salina com uma proteína, no sentido de tentar acelerar a difusão de sal e consequentemente tentar diminuir o tempo de diálise. A proteína utilizada foi a Albumina Sérica Bovina (BSA) e o sal presente na solução foi NaCl. A diálise foi efectuada com um volume de retentato (ou seja de solução a dialisar) de 5 ml, e com um volume de dialisado de 30 ml, constituído por água destilada. A quantidade de NaCl presente nas soluções foi primeiro determinada pelo método condutivimétrico e posteriormente pela titulação de Volhard, e a quantidade de BSA foi determinada através do teste de Biureto. Foram medidos os volumes iniciais e finais do retentato e dialisado para cada ensaio. Comparando o ensaio realizado à temperatura de 4ºC à pressão atmosférica com o ensaio realizado à temperatura ambiente, verificou-se que a difusão de sal a 4ºC foi um pouco mais lenta. Nos ensaios realizados sob alta pressão hidrostática, os resultados obtidos demonstram que a aplicação da alta pressão hidrostática favorece o processo de diálise, acelerando a saída de sal do retentato para o dialisado. Em todos os ensaios realizados a variação de volume do dialisado e retentato mostrou que ocorreu difusão de água do dialisado para o retentato, ou seja, em sentido contrário à difusão de sal. Esta variação foi irregular, com alguma perda de volume em alguns ensaios, devido a uma execução experimental que não foi a mais eficiente por limitações volumétricas do aparelho de alta pressão disponível. Determinaram-se os coeficientes de difusão efectiva (m 2 /s) do sal do retentato para o dialisado através da aplicação do modelo da solução da 2ªLei de Fick para a geometria de um cilindro finito. Para o ensaio à Pressão Atmosférica o valor de coeficiente de difusão efectiva obtido foi de 1,12x10-8 e para o ensaio à temperatura de 4ºC foi de 1,28x10-8. Para os ensaios sob alta pressão, para 100 MPa o coeficiente de difusão calculado foi de 3,16x10-8,para 200 MPa foi de 8,20x10-8 e para 300 MPa o valor encontrado foi de 4,42x10-8. Como trabalho futuro, seria interessante tentar verificar se se comprovam os mesmos resultados mas para pressões mais baixas (como 50 MPa), o que significaria menos custos de aplicação. Testar a aplicação de alta pressão com volumes maiores de solução inicial seria também importante.

8 keywords Dialysis, purification of proteins, high hydrostatic pressure, salt (NaCl), salt diffusion abstract The main objective of this work was to study the influence of high hydrostatic pressure on the dialysis of a saline solution with a protein, in order to try to accelerate the salt diffusion, and consequently reduce the duration of dialysis. The protein used was Bovine Serum Albumin (BSA) and the salt NaCl. Dialysis was performed with 5 ml of dialysis solution and 30 ml of dialysate, consisting of distilled water. The amount of NaCl in the solutions was first determined by conductivity and then confirmed with the Volhard chemical standard method. The amount of BSA was determined using the Biuret test. The volumes of every solution were measured in the beginning and in the end of every dialysis. Comparing the test performed at 4ºC and atmospheric pressure with the test performed at room temperature it was found that the diffusion of the salt at 4ºC was slightly slower. The results of the tests conducted under high pressure demonstrate that the application of high hydrostatic pressure favors the dialysis, accelerating the removal of salt from the retentate to dialysate. In all tests, the volume change of dialysate and retentate showed that occurred diffusion of water from the dialysate to the retentate, in the opposite direction to the diffusion of salt. This was irregular, with some loss of volume in some tests, due to an experimental implementation that was not the most efficient, because of volumetric limitations of the high pressure equipment used The diffusivities (m 2 /s) of salt were determined for each test based on the solution of Fick s second law from a finite cylinder. For the test performed at atmospheric pressure the value found was 1,12x10-8, and for the temperature of 4ºC the value obtained was 1,28x10-8. For the high pressure tests, for the pressure of 100 MPa the value found was 3,16x10-8, for 200 MPa the value obtained was 8,29x10-8 and for 300 MPa the value found was 4,42x10-8. As future work, it would be interesting to run the same tests for lower pressures (e.g. 50 MPa), which would result in lower implementation costs. It would also be important to make the same tests but with a larger volume of initial solution.

9 Símbolos e abreviaturas Ag + - Ião prata AgCl - Cloreto de prata AgNO 3 - Nitrato de prata BSA - Proteína albumina sérica bovina EDTA - Ácido etilenodiamino tetra-acético Cl - - Ião cloreto - Coeficiente osmótico k - Constante cinética de uma reacção química K - Constante de equilíbrio de uma reacção química C - Concentração de solutos (mol/l) R - Constante ideal dos gases (J K -1 mol -1 ) l - Comprimento do cilindro (m) Da - Daltons D es - Coeficiente de difusividade efectiva do NaCl (m 2 /s) KSCN - Tiocianato de potássio MWCO - Molecular weight cut- off MPa - Mega pascal NaCl - Cloreto de sódio Fe + - Ião ferro FeNH 4 (SO 4 ) 2.12H 2 O - Indicador alúmen férrico Fe(SCN) +2 - Tiocianato de ferro F o - Número de Fourier i - Número de iões formado pela dissociação do soluto PM - Peso molecular (g/mol) P - Pressão (atm) π - Pressão osmótica (mmhg, ou mol/s) r - Raio do cilindro (m) T - Temperatura (K) - Variação de volume do sistema reaccional (cm 3 /mol) Va - Volume de activação da reacção (cm 3 /mol) SCN - - Ião tiocianato VII

10 S 0 - Concentração de sal na solução inicial (%) S - Concentração de sal no equilíbrio (%) S t - Concentração de sal para qualquer tempo (%) α - Rácio de volume de retentato e volume de dialisado utilizado nos ensaios experimentais S r - - Rácio de soluto difundido VIII

11 Índice Símbolos e abreviaturas... VII Índice de Figuras... XI Índice de Tabelas... XIV Introdução... 1 Capítulo I Revisão Bibliográfica Separação por membranas Osmose/ Pressão Osmótica Diálise Membrana Dispositivos de diálise Aplicações gerais da diálise Tecnologia de alta pressão Transferência de massa Teoria Determinação de coeficientes de difusividade a partir da 2ª Lei de Fick Solução da 2ª Lei de Fick para o caso de um cilindro finito Capítulo II Materiais e Métodos Preparação da solução a dialisar Esquema experimental Membrana utilizada Método de lavagem da membrana Dispositivo experimental Estimativa da quantidade de NaCl pelo método condutivimétrico Determinação do conteúdo de NaCl pelo método químico Determinação da quantidade de proteína BSA - Método de Biureto Tratamentos de alta pressão Capítulo III Análise e Discussão de Resultados Ensaios preliminares Quantificação de NaCl mediante o método condutivimétrico e método de Volhard Quantificação da proteína BSA pelo método de Biureto Ensaios experimentais Ensaio realizado à pressão atmosférica Ensaio realizado à temperatura de 4ºC IX

12 Ensaio realizado à pressão de 100 MPa Ensaio realizado à pressão de 200 MPa Ensaio realizado à pressão de 300 MPa Comparação entre os ensaios realizados: Pressão atmosférica, 100, 200 e 300 MPa Determinação da velocidade de transferência de sal/coeficientes de difusão efectiva de NaCl Capítulo IV Conclusão Capítulo V Trabalho Futuro Bibliografia Anexo A: Tabelas Auxiliares Anexo B: Equações Auxiliares X

13 Índice de Figuras Figura 1:Representação do conceito de osmose em que a membrana é apenas permeável ao solvente (imagem à esquerda), e pressão osmótica (imagem à direita) [5]... 6 Figura 2: Esquema representativo de uma diálise (as setas que atravessam a membrana indicam o sentido do fluxo de solvente e solutos e a oval a tracejado a membrana de diálise) [3] Figura 3: Esquema relacionado com a preparação e execução experimental da membrana de diálise [8] Figura 4: Dispositivo de uma microdiálise envolta numa esfera de vidro. Legenda da figura: 1) Câmara de vidro 2) Amostra 3) Membrana semi permeável 4) Base do dispositivo 5) Buraco do dispositivo 6) Dispositivo de microdiálise 7) Dialisado [17] Figura 5: Dispositivo de Alta Pressão que existe na Universidade de Aveiro, e que foi utilizada nos ensaios experimentais Figura 6: Frasco do dispositivo experimental de diálise Figura 7: Membrana de diálise, antes de ser colocada no dispositivo de diálise Figura 8:Condutividade (ms/cm) em função da concentração de NaCl (%) à temperatura ambiente, juntamente com a representação da recta que relaciona os valores experimentais na gama linear Figura 9:Representação gráfica da relação linear existente entre o método condutivimétrico e o químico Figura 10:Representação da linearidade existente entre a concentração da proteína e a sua absorvância a 540 nm relativamente ao teste de Biureto Figura 11:Ensaio experimental para testar a validade do método de Biureto quando existe presença de NaCl na solução de BSA (1mg/mL) Figura 12: Resultados obtidos para a transferência de sal do retentato para o dialisado para o ensaio realizado à pressão atmosférica, em % de NaCl Figura 13: Representação da variável Sr em função dos tempos realizados nos ensaios experimentais Figura 14: Variação de volume no retentato e dialisado no ensaio realizado a pressão atmosférica Figura 15: Membrana com a solução inicial de proteína e sal utilizada nos ensaios (imagem à esquerda) e membrana no fim do ensaio, quando se retirava do dispositivo experimental (imagem à direita) XI

14 Figura 16: Variação da massa de NaCl (em g) ao longo do tempo, assim como da massa total das amostras Figura 17: Resultados do teste de biureto efectuado a algumas amostras de retentato.. 39 Figura 18: Comparação dos resultados obtidos para a difusão de sal do retentato para o dialisado dos ensaios realizados a 4ºC e à pressão atmosférica, em % de NaCl Figura 19: Variação de volume no retentato e dialisado no ensaio realizado à temperatura de 4ºC Figura 20: Variação da massa de NaCl (em g) no retentato e dialisado, e da massa total no ensaio realizado a 4ºC Figura 21: Resultados obtidos para a transferência de sal do retentato para o dialisado para o ensaio realizado a 100 MP, em % de NaCl Figura 22:Variação de volume no dialisado e no retentato, em ml Figura 23:Variação da massa de NaCl (em g) tanto no retentato como no dialisado, assim como a variação de massa total deste sal no ensaio realizado a 100 MPa Figura 24: Resultados obtidos para a transferência de sal do retentato para o dialisado para o ensaio realizado a 200 MP, em % de NaCl Figura 25: Variação de volume no retentato e dialisado para o ensaio realizado a 200 MPa Figura 26: Variação da massa de NaCl (g) no dialisado, retentato e massa total do sal, no ensaio realizado a 200 MPa Figura 27: Resultados obtidos para a transferência de sal do retentato para o dialisado para o ensaio realizado a 300 MP, em % de NaCl Figura 28:Variação do volume de retentato e dialisado para cada ensaio, em ml Figura 29: Representação da gama linear para as primeiras experiências a 300 MPa.. 50 Figura 30: Variação da massa de NaCl do retentato, dialisado e massa total deste sal, em g, para cada experiência realizado a 300 MPa Figura 31: Massa de proteína BSA presente nas amostras realizadas a pressão atmosférica, 4ºC, e 100, 200 e 300 MPa Figura 32: Representação gráfica da entrada de NaCl (%) para o dialisado dos ensaios à pressão atmosférica, 100 MPa, 200 MPa e 300 MPa Figura 33: Representação gráfica da saída de NaCl (%) do retentato dos ensaios à pressão atmosférica, 100 MPa, 200 MPa e 300 MPa XII

15 Figura 34: Representação gráfica da entrada de NaCl (%) para o dialisado dos ensaios à pressão atmosférica, 100 MPa, 200 MPa e 300 MPa num intervalo de tempo inicial, até 30 minutos Figura 35: Representação gráfica de saída de NaCl (%) do retentato dos ensaios à pressão atmosférica, 100 MPa, 200 MPa e 300 MPa num intervalo de tempo inicial, até 30 minutos Figura 36: Comparação da variação da massa de NaCl (g) no dialisado dos ensaios realizados à pressão atmosférica, 100, 200 e 300 MPa Figura 37: Comparação da variação da massa de NaCl (g) no retentato dos ensaios realizados à pressão atmosférica, 100, 200 e 300 MPa Figura 38: Determinação de velocidade de saída de sal para o ensaio realizado à pressão atmosférica XIII

16 Índice de Tabelas Tabela 1: Resumo de processos de separação por membrana [2-3, 5]... 5 Tabela 2:Perda e variação de volume entre dialisado e retentato, em ml Tabela 3: Perda de volume (em ml) e variação de volume do retentato e dialisado (em ml) no ensaio realizado à temperatura de 4ºC Tabela 4: Perda de volume (em ml) e variação de volume do retentato e dialisado (em ml) no ensaio realizado à pressão de 100 MPa Tabela 5: Perda de volumes (em ml) e variação de volume do retentato e dialisado (em ml) no ensaio realizado a 200 MPa Tabela 6: Diferença de volumes entre retentato e dialisado (em ml) e variação do volume do retentato e dialisado (em ml) para o ensaio de 300 MPa Tabela 7: Comparação da quantidade de NaCl (%) presente no retentato e dialisado, para o tempo de 5 minutos do ensaio realizado à pressão atmosférica e dos ensaios realizados na alta pressão (100,200 e 300 MPa) Tabela 8: Comparação da massa de NaCl (g) presente no retentato e dialisado, para o tempo de 5 minutos do ensaio realizado à pressão atmosférica e dos ensaios realizados na alta pressão (100, 200 e 300 MPa) Tabela 9: Coeficientes de difusão efectivos e S para os ensaios realizados XIV

17 Introdução Introdução Actualmente, existem diversos processos de separação, quer a nível industrial quer a nível laboratorial, que utilizam membranas como barreira física de separação. A composição da solução inicial e os compostos que se querem separar determinam qual o tipo do processo a aplicar, assim como o tipo de membrana a utilizar, de modo a que a separação seja suficientemente eficiente. Para purificação de soluções com proteínas, a diálise é um dos processos de separação por membranas mais aplicados em técnicas laboratoriais. Numa diálise são envolvidas duas soluções, a solução inicial, denominada retentato, que é introduzida dentro de uma membrana fechada num volume muito maior de solução de um solvente (normalmente água destilada), que se designa como dialisado. Neste caso, os compostos que interessa separar e que permeiam a membrana são os solutos presentes na solução inicial, e a força motriz deste processo é a diferença de concentrações do soluto entre o retentato e o dialisado. Os compostos difundem-se da solução inicial para o solvente até se atingir o equilíbrio, ou seja, até que a concentração de solutos se iguale dentro e fora da membrana, enquanto que as macromoléculas (como proteínas) ficam retidas devido ao facto de terem um tamanho grande e não conseguirem permear os poros da membrana. Em sentido contrário à difusão de compostos ocorre um fluxo de solvente para dentro da membrana, diluindo a solução inicial. As diálises com o intuito de purificar soluções de proteínas de compostos de menor peso molecular como iões possuem uma grande desvantagem: é um processo muito demoroso, que pode levar várias horas até se atingir o nível de purificação desejada. A difusão é lenta, também devido ao facto deste processo decorrer normalmente a 4ºC (temperatura favorável à conservação das proteínas), e as diversas trocas de solvente, são algumas questões que contribuem para a lentidão deste processo. O objectivo proposto para esta tese é tentar acelerar um processo de diálise, diminuindo assim o tempo de operação deste, o que traria vantagens para a sua aplicação. Como tal, a solução que se propõe é a aplicação de pressão hidrostática, tentando assim acelerar os fluxos de difusão dos compostos envolvidos na diálise, e desta forma diminuir o tempo de operação. A tecnologia de alta pressão tem vindo a ser aplicada em situações semelhantes para tentar acelerar processos de difusão de solutos e solvente, nomeadamente a nível de alimentos, como no caso de desidratação osmótica. 1

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19 Capítulo I Revisão Bibliográfica Capítulo I Revisão Bibliográfica 1.1. Separação por membranas A separação por membranas é utilizada em inúmeros processos industriais, em diferentes áreas, como a química, petroquímica, ambiental, farmacêutica, tratamento de águas, entre muitas outras. As suas aplicações incluem diálise para purificar o sangue humano (rim artificial), a utilização de electrodiálise para a obtenção de água potável, osmose inversa para remoção do sal da água do mar, ultrafiltração para concentrar as proteínas presentes em diversos alimentos (como queijo, leite, etc.) e microfiltração para esterilizar produtos médicos e farmacêuticos, cerveja, vinho e outro tipo de bebidas. O baixo custo associado a este tipo de separação, assim como o baixo consumo de energia durante a sua utilização, leva a que existam inúmeras aplicações para separações com membranas, sendo uma área com futuro e que sofreu uma grande evolução nas últimas duas décadas [1-2]. As membranas usadas podem encontrar-se no estado líquido ou sólido, sendo que actualmente as líquidas são aplicadas na implementação de uma variedade de extracções líquido-líquido. Quando se lida com membranas sólidas semi-permeáveis, os dois fluidos envolvidos na separação normalmente encontram-se no estado líquido, em que um dos fluidos constitui a amostra (normalmente referida como alimentação ou solução de Donner ), e o outro é designado como receptor. A membrana impede na maior parte dos casos o contacto directo entre as soluções, funcionando como barreira física entre estas. Este facto é muito importante para o caso de separações como a diálise, ultrafiltração e osmose inversa. Os diversos processos de separação por membranas caracterizam-se por, entre outros aspectos, o tipo de soluções a separar, força motriz que leva ao desenvolvimento do processo, componentes que ficam retidos na membrana e outros que a permeiam [2-4]. De modo a que seja eficiente a separação de uma mistura de componentes, a membrana em questão deve possuir uma elevada relação de permeância para as duas espécies a serem separadas. A permeância para uma determinada espécie que se consegue difundir na membrana está relacionada com o coeficiente de transferência de massa, ou 3

20 Capítulo I Revisão Bibliográfica seja, corresponde ao fluxo da espécie que atravessa a membrana por unidade de área da membrana e por unidade de força motriz (que pode ser para diferentes concentrações, força parcial etc.). Na tabela 1 apresenta-se um resumo de diversos tipos de processos de separação por membranas. 4

21 Capítulo I Revisão Bibliográfica [2-3, 5] Tabela 1: Resumo de processos de separação por membrana Processo Diálise Electrodiálise Osmose inversa Ultrafiltração Soluções utilizadas Soluções aquosas Soluções aquosas Soluções aquosas de concentrações baixas Soluções orgânicas aquosas Soluções macromoleculares Emulsões Força motriz Diferença de concentrações Campo eléctrico Diferença de pressão ( 100 bar) Diferença de pressão ( 10 bar) Componentes que permeiam preferencialmente a membrana Solutos Solutos Solvente Solvente Natureza das espécies retidas (tamanho) >0,02 μm espécies retidas Iões, macro iões e água retida 1 a 10 Å espécies de microsolutos 10 a 200- Å macrosolutos Microfiltração Suspensões Emulsões Diferença de pressão ( 5 bar) Fase Contínua 0,02 a 10 μm partículas Permeação gasosa Pervaporação Técnica da membrana líquida Nanofiltração Misturas gasosas Misturas vapor de água e gases Misturas orgânicas Misturas orgânicas aquosas Soluções aquosas de concentrações baixas Purificação de proteínas - Separação de compostos orgânicos e sais Diferença de pressão ( 80 bar) Lado permeado: relação entre a pressão parcial com a pressão de saturação Diferença de concentrações Gradiente de pressão bar O componente que for preferível permear a membrana O componente que preferivelmente permear a membrana Soluto Solvente Espécies maiores retidas, excepto as que são muito solúveis Espécies maiores retidas, excepto as que são muito solúveis Geralmente não é selectiva relativamente ao tamanho das espécies Moléculas de peso molecular médio 500 < PM < 2000 (PM-Peso molecular em g/mol) 5

22 Capítulo I Revisão Bibliográfica Osmose/ Pressão Osmótica A osmose pode ser descrita como o movimento físico espontâneo de um solvente (em muitos processos este solvente é a água) através de uma membrana semi-permeável e que apenas deixa atravessar o solvente em questão, baseado na diferença do potencial químico entre as duas soluções envolvidas na separação. Esta diferença de potencial químico é causada pela diferença de concentração de solutos entre dois fluidos, em que um apresenta uma maior concentração comparativamente ao outro, o que gera pressão osmótica. O fluxo do solvente em direcção ao lado da membrana com a concentração mais elevada deixa de ocorrer quando ocorre igualdade dos potenciais químicos em ambos os lados da membrana [1, 3, 5]. A pressão osmótica ( é um conceito importante para estudar e compreender processos de diálise. Consiste na pressão que é necessário exercer para obrigar o fluxo de solvente através da membrana permeável apenas ao solvente. A pressão osmótica exercida pelas partículas em solução é determinada pelo número de partículas por unidade de volume, e pode ser calculada pela lei de Van t Hoff (equação 1) [3-4]. (1) Em que é o coeficiente osmótico, e que depende da concentração de soluto, i é o número de partículas formado pela dissolução do soluto, C é a concentração de todos os solutos (mol/l), R é a constante ideal dos gases (J K -1 mol -1 ) e T é a temperatura absoluta em Kelvin. Na figura 1 está exemplificado o conceito de osmose e de pressão osmótica. Figura 1:Representação do conceito de osmose em que a membrana é apenas permeável ao solvente (imagem à esquerda), e pressão osmótica (imagem à direita) [5]. 6

23 Capítulo I Revisão Bibliográfica 1.2. Diálise O processo de diálise foi referido pela primeira vez em 1881 por Graham, que utilizava papel de pergaminho como membrana. As suas experiências basearam-se nas observações efectuadas por um professor, W.G. Schmidt, que mostravam que as membranas animais eram menos permeáveis a colóides do que a açúcar ou sal [2]. Nos 100 anos seguintes, este processo de separação tornou-se uma técnica laboratorial muito usada para purificação de pequenas quantidades de solutos, e em alguns casos é utilizada em escala industrial [2]. Realçando a utilização de diálises a nível laboratorial, foi nos anos 50 que este processo de separação ganhou popularidade, e artigos da altura referiam a diálise como uma ferramenta de ponta, que os investigadores podiam utilizar em misturas complexas, como biomacromoléculas. Existem duas grandes diferenças entre a diálise aplicada hoje em dia e a de antigamente: o tempo de preparação da membrana e a quantidade de perda de amostra, em que ambas diminuíram consideravelmente. O fenómeno físico base da diálise é a difusão, que se pode definir como o movimento espacial e aleatório dos átomos, moléculas ou partículas, determinado pela energia térmica da própria partícula. A difusão é um processo espontâneo, que aumenta a desordem/entropia, e considera-se que um estado de equilíbrio de um sistema é aquele em que a entropia é máxima, a energia livre é mínima e os solutos estão uniformemente distribuídos pelo sistema. Se existir um gradiente de concentrações no sistema, o movimento individual dos solutos causa um movimento orientado dos locais de maior concentração para o de menor concentração, até ser atingido um estado de equilíbrio em que a distribuição de soluto é uniforme. A diálise é um processo de separação que combina a remoção de solutos da amostra com a introdução de um novo solvente (que pode ser por exemplo água) na amostra. A solução a purificar, designada por alimentação ou retentato e que se encontra no estado líquido, contém solvente, solutos de baixo peso molecular e macromoléculas como por exemplo proteínas ou outro tipo de solutos. O retentato é a solução que é colocada dentro da membrana, ou seja, no saco de diálise. A membrana possui a característica de ser microporosa, o que leva a que os solutos de baixo peso molecular a consigam atravessar, ao contrário dos restantes constituintes do retentato. Do outro lado da membrana encontra- 7

24 Capítulo I Revisão Bibliográfica se o dialisado, que consiste numa quantidade enorme de solvente ou de um líquido relativamente ao retentato, onde está colocada a membrana e que não contém quaisquer tipos de solutos. A relação volume de retentato/volume de dialisado é um parâmetro importante a ter em conta, e é favorável ao processo que o volume do dialisado seja consideravelmente maior. Ocorre a difusão de solutos que conseguem permear a membrana do retentato para o dialisado devido à força motriz causada pela diferença de pressão osmótica da solução exterior e interior, ou seja, que existe nas duas interfaces da membrana. Não há transporte das macromoléculas, que devido ao seu tamanho não conseguem permear a membrana, ficando retidas na solução inicial de alimentação. Simultaneamente, ocorre difusão de solvente para o interior da membrana (osmose), também devido à diferença de pressão osmótica. Quando se está a lidar com uma amostra com elevada concentração de solutos ou de solvente orgânico na amostra, a osmose é o primeiro fenómeno a ocorrer na diálise antes da difusão do soluto, levando a um aumento considerável de volume do retentato nos instantes iniciais da diálise. Este é um processo que se realiza à pressão atmosférica [2-3, 6-7]. Eventualmente, passado algum tempo do início da diálise, a concentração de solutos em ambos os lados equilibra, levando a que não exista diferença de pressão osmótica. A taxa de diálise abranda à medida que a concentração de solutos se aproxima do equilíbrio anteriormente referido. Este fenómeno leva a que a remoção completa dos solutos de uma amostra não ocorra apenas numa diálise, pois os compostos que se encontravam inicialmente dentro da membrana são distribuídos simultaneamente no solvente e no saco de diálise. Para resolver esta questão, troca-se o solvente que se encontra no exterior da membrana as vezes necessárias, para criar novamente diferença de pressão osmótica, até que a remoção do soluto atinja um valor aceitável. A agitação do dialisado é também uma solução muitas vezes aplicada para aumentar a taxa de diálise, e um sistema bem agitado pode atingir o equilíbrio a 90% em 2/3 horas. A utilização de um volume maior no exterior da membrana é preferível a um volume pequeno como já referido, pois permitirá separar uma quantidade dos solutos que permeiam a membrana, reduzindo o número de trocas de solvente [8]. Na figura 2 está representado um esquema do processo de separação que decorre numa diálise. 8

25 Capítulo I Revisão Bibliográfica Retentato Solvente Macromoléculas Solvente Solutos de baixo peso molecular π 1 π 2 Solutos de baixo peso molecular Dialisado Figura 2: Esquema representativo de uma diálise (as setas que atravessam a membrana indicam o sentido do fluxo de solvente e solutos e a oval a tracejado a membrana de diálise) [3]. A transferência relativa dos solutos através da membrana de diálise é função das difusividades pela membrana e das suas forças motrizes. O coeficiente de difusão expressa a velocidade individual das partículas, e está dependente da temperatura (quanto maior a temperatura maior a taxa de difusão). A separação é eficiente apenas para espécies que diferem de forma significativa relativamente ao parâmetro de coeficiente de difusão. Uma vez que os coeficientes de difusão são um parâmetro não muito influenciado pelo tamanho das moléculas, a diálise é limitada para separar espécies que possuem tamanhos bastante diferentes. Outra limitação deste processo de separação que se pode realçar consiste no facto de ser uma técnica eficiente apenas quando a concentração de solutos a ser separada é elevada, pois como já referido anteriormente os fluxos de transferência de massa dependem directamente do gradiente de concentrações transmembranar, sendo que esta é uma propriedade intrínseca das correntes de alimentação e do dialisado. Este factor não acontece noutro tipo de separações através de membranas, como por exemplo no caso da osmose inversa, em que os fluxos transmembranares dependem da pressão aplicada, e são independentes das propriedades dos caudais do processo. Quando o gradiente de 9

26 Capítulo I Revisão Bibliográfica concentrações transmembranar é baixo, é possível melhorar o processo aumentando a área [2, 4, membranar, o que por sua vez pode comprometer a viabilidade económica do processo 7]. Uma das aplicações mais recorrentes da diálise a nível laboratorial é a purificação e a concentração de soluções que contêm proteínas, por exemplo na preparação de amostras. Apesar de ser um procedimento simples e uma rotina bem estudada, apresenta duas grandes questões que em muitos casos são situações desvantajosas: a necessidade de trocar de dialisado, e o facto de demorar várias horas até estar concluída e ser caracterizada por ser um processo com taxas de fluxo baixas em comparação com outros processos de separação com membranas. Esta última consideração pode ser importante em determinadas circunstâncias, como no caso em que as espécies a separar são sensíveis à degradação mecânica quando sujeitas a stress mecânico [2, 9]. O procedimento padrão que existe para uma diálise de proteínas é o seguinte: i) iniciar a diálise à temperatura ambiente durante duas horas; ii) Trocar o dialisado e colocar a amostra a dialisar durante mais duas horas à mesma temperatura; iii) Trocar o dialisado novamente e deixar a amostra a dialisar de noite à temperatura de 4ºC o tempo necessário [10]. Como se verifica neste protocolo, o tempo de operação de uma diálise pode ser muito elevado, e é uma variável que pode ser importante optimizar, de modo a que a diálise se torne cada vez mais vantajosa. A temperatura à qual a diálise ocorre é outra variável importante do processo, e que afecta o coeficiente de difusão como já referido anteriormente. A temperatura é um parâmetro termodinâmico que afecta a difusão das moléculas pois um aumento de temperatura significa um aumento de energia para o movimento livre das partículas, o que faz aumentar a sua difusão favorecendo o processo de diálise. A maior parte das diálises que envolve proteínas é efectuada à temperatura de 4ºC para minimizar as perdas de actividade biológica e de modo a que as proteínas envolvidas não sofram desnaturação. O facto de se realizar a esta temperatura faz aumentar o tempo de diálise, tornandoa mais lenta do que se se realizasse à temperatura ambiente [6, 8, 11]. Para melhorar o tempo de operação da diálise, não é viável aumentar a temperatura devido ao facto de que as proteínas constituintes da amostra poderem sofrer degradação térmica, como já referido, e é por isso importante procurar outras soluções mais viáveis para se conseguir melhorar este parâmetro importante de uma diálise. 10

27 Capítulo I Revisão Bibliográfica Membrana A membrana é a chave de um processo de diálise. Como já referido anteriormente, é semi-permeável, usualmente constituída por acetato de celulose e contém poros de tamanho conhecido que deixam os solutos de baixo peso molecular passar, retendo os compostos de elevado peso molecular (como por exemplo proteínas e ácidos nucléicos). As membranas usadas em laboratório têm uma espessura de μm, poros de diâmetro na ordem dos Å, não deixando passar solutos maiores do que a Da [10]. A membrana deve garantir uma boa relação entre a difusão dos compostos de baixo peso molecular e a sua estrutura, de modo a que a separação seja o mais eficiente possível. As duas dimensões críticas que se deve ter em consideração relativamente à escolha da membrana são o diâmetro desta e o tamanho nominal do poro da membrana, também denominado como cut-off ou MWCO (Molecular Weight Cut-Off). O MWCO de uma membrana é uma medida baseada no tamanho das moléculas que não conseguem atravessar a membrana. É uma boa prática escolher uma membrana com um cut-off significativamente abaixo do peso molecular da proteína presente na solução a dialisar de modo a evitar perdas [12]. Existem métodos para pré-preparar a membrana de diálise de modo a remover os compostos químicos utilizados na sua obtenção. Ferver a membrana numa solução com EDTA e NaHCO 3 é um dos procedimentos recomendados, assim como conservá-la numa solução com a mesma constituição. A contaminação com compostos químicos afecta mais as soluções com proteínas diluídas, pois a relação membrana/proteína é mais elevada. Após secar a membrana, e de modo a preparar sacos de diálise, pode dar-se um ou dois nós numa das extremidades da membrana, e coloca-se o retentato dentro do saco de diálise; após este passo, fecha-se o saco de diálise dando um outro nó na outra extremidade da membrana, e por último coloca-se no meio do volume de dialisado, dando início à diálise. É importante deixar algum ar para expansão no saco de diálise quando se está a separar uma solução com uma concentração elevada de solutos, pois ocorre entrada de um volume elevado de solvente no saco. Se este espaço não for deixado, a expansão pode causar danos no saco e inviabilização do ensaio em si [8]. Na figura 3 apresentam-se esquematicamente três situações relacionadas com a preparação da membrana: na situação a) mostra-se o enchimento da membrana com amostra no saco de diálise; situação b) mostra que a maior parte das diálises realiza-se com 11

28 Capítulo I Revisão Bibliográfica agitação constante do dialisado, com o intuito de aumentar o fluxo de transferência de massa e diminuir o tempo de diálise, e c) mostra o aumento de volume de solução dentro da membrana devido à transferência de água do dialisado para o retentato devido às forças osmóticas [8]. Figura 3: Esquema relacionado com a preparação e execução experimental da membrana de diálise [8] Dispositivos de diálise Existem dispositivos de diálise mais elaborados, disponíveis comercialmente, que cobrem uma vasta gama de volumes de amostra, e que não são recomendados para volumes menores do que 500 μl, devido à fraca recolha de amostra. Os dispositivos comerciais para grandes volumes não se adequam a volumes pequenos, devido à recolha e perda de amostra quando se lida com volumes menores [13]. Tem sido feita investigação no sentido de desenvolver microdializadores viáveis, e que tentem superar as limitações dos existentes: problemas relacionados com a recolha de amostra, possibilidade de evaporação de amostra, perda acidental devido à ruptura da membrana e entrada de ar entre a amostra e o dialisado [14]. Como exemplo de dispositivos pesquisados, destaca-se a utilização de um tubo de microcentrifugação que funciona como microdializador, e também de um ensaio 12

29 Capítulo I Revisão Bibliográfica que foi realizado com uma pipeta de Pasteur com o mesmo intuito. Ambos os dispositivos mostraram ser viáveis e práticos, e dos estudos realizados retiraram-se conclusões interessantes que podem abrir portas para mais investigação nesta área [13-15]. Existe igualmente um dispositivo disponível para amostras de volumes de cerca de 10 μl, que são constituídos por polipropileno e celulose regenerada, e que já revelaram ser um avanço na área de preparação de amostras através de diálise de microvolumes [10]. Nos casos de dispositivos para pequenos volumes, a relação área da membrana/volume a dialisar é normalmente elevada, pelo que o tempo de diálise é normalmente reduzido. Para amostras de maiores volumes, em que se usam mangas, esta relação é menor, o que leva a diálises mais demoradas. Nestes casos, é interessante desenvolver metodologias que possam acelerar a diálise, como é proposto ser provado com os ensaios nas experiências realizadas. Nos dispositivos de diálise pode ser adicionada uma pressão hidráulica transmembranar como um componente adicional do transporte de massa convectivo. O fenómeno de transporte convectivo também pode ocorrer se um dos fluxos, usualmente o do retentato, estiver muito concentrado, o que aumenta o gradiente osmótico transmembranar, através do qual o solvente escoa. Nestas circunstâncias, a descrição do transporte de soluto torna-se mais complexa pois incorpora uma parcela da velocidade do fluido transmembranar ao processo de transferência de massa [6-7]. A diálise, principalmente a nível de laboratório, considera-se que é um processo bastante demoroso devido a enormes volumes de solução a separar, podendo levar várias horas ou dias para se obter uma separação dos componentes aceitável com várias trocas de solvente. Foram já dados os primeiros passos no sentido de acelerar este processo de separação. Efectuaram-se ensaios para diminuir o tempo de diálise aumentando a pressão através de um dispostivo de extracção de solvente, com o intuito de separar xenobióticos orgânicos de triolina. O intervalo de pressão aplicada na experiência foi 3,45-15 MPa, sendo que se concluiu que a mais eficiente para o processo em questão era de 3,45 MPa. Os parâmetros que afectam o processo, nomeadamente pressão, temperatura, solvente e número de ciclos de diálise, foram optimizados com uma considerável redução de tempo de análise em comparação a diálise convencional, de 48h para 40 minutos (70 vezes mais rápido) com uma redução também do consumo de solvente. O facto de o processo ter sido 13

30 Capítulo I Revisão Bibliográfica acelerado revelou-se adequado como um procedimento de limpeza para vários tipos de amostras de lípidos e outras matrizes complexas [16]. O seu desempenho contínuo permite integrá-lo noutras etapas do processo analítico [6, 15]. Resumindo, este estudo provou que é possível acelerar a taxa de diálise através da aplicação de pressão, reduzindo assim o seu longo tempo de operação. Encontram-se igualmente dispositivos patenteados, e também já alguns disponíveis comercialmente, que se baseiam na mesma ideia de acelerar o processo de diálise. Um destes encontra-se representado na figura 4, que mostra um esquema experimental de uma microdiálise efectuada numa câmara esférica que favorece este processo de separação. O dispositivo possui uma tampa com um buraco que, quando esta é colocada, a membrana entra em contacto com o dialisado aumentando a taxa de diálise e ao mesmo tempo diminuindo o risco da amostras não serem dialisadas. A câmara de diálise possui uma tampa pesada de modo a assegurar o aumento de pressão e o bom funcionamento deste processo [17]. Figura 4: Dispositivo de uma microdiálise envolta numa esfera de vidro. Legenda da figura: 1) Câmara de vidro 2) Amostra 3) Membrana semi permeável 4) Base do dispositivo 5) Buraco do dispositivo 6) Dispositivo de microdiálise 7) Dialisado [17] Resumindo, foram já dados os primeiros passos no sentido de tentar acelerar a taxa de diálise e, consequentemente, tentar diminuir o tempo de diálise de modo a tentar ultrapassar esta desvantagem e assim trazer enormes benefícios, principalmente a nível laboratorial e mais especificamente no tratamento de purificação de soluções de proteínas. 14

31 Capítulo I Revisão Bibliográfica A aplicação de uma elevada pressão hidrostática apresenta-se como a solução proposta para os ensaios realizados, e foi o objectivo proposto para o estudo efectuado e apresentado nesta tese Aplicações gerais da diálise Até ao ano de 1960, muito poucas aplicações deste processo eram utilizadas em larga escala industrial, sendo que a mais importante consistia na separação de soluções de hidróxido de sódio concentrado que continham hemicelulose. A partir de 1960, a diálise ganhou importância na área da saúde, e uma das suas principais aplicações ainda hoje em dia consiste no tratamento artificial do sangue de pacientes com insuficiência renal, denominado hemodiálise. Este facto levou ao desenvolvimento de dispositivos inovadores de diálise e de novas membranas, e a diálise começou a ganhar relevância noutras áreas de aplicação. Em 1969, Schultz e Gerhardt analisaram o uso desta tecnologia como meio para controlar culturas de bactérias para diversas aplicações, e actualmente são efectuados inúmeros estudos para esta aplicação em sistemas microbiológicos [2, 4]. Hoje em dia, a diálise é um processo rotineiro usado em química de proteínas, bioquímica, biotecnologia, laboratórios de biologia molecular e indústrias que envolvem a preparação de compostos bioquímicos, como por exemplo para remover sais de soluções contendo macromoléculas como proteínas. Outro exemplo que se pode destacar é na área de biotecnologia, em que é favorável aplicar esta tecnologia, pois os produtos a separar são por vezes frágeis e muitas vezes sensíveis ao calor, e a diálise é um processo que se pode desenrolar a qualquer temperatura. A diálise tornou-se numa técnica relevante para a indústria da cerveja, no campo de redução e remoção do álcool. Podem-se referir outros tipos de aplicações, como a remoção de ácidos ou bases de certos produtos. Em geral, as diálises são restritas para o uso em soluções aquosas, apesar de também poderem ser realizadas com solventes orgânicos, desde que se utilizem as membranas adequadas [2]. 15

32 Capítulo I Revisão Bibliográfica 1.3. Tecnologia de alta pressão A aplicação de pressões elevadas na produção e na obtenção de produtos e alimentos é uma área recente que tem vindo a despertar cada vez mais interesse. Continua a oferecer novas oportunidades de desenvolvimento, e actualmente é importante para reacções e separações na indústria química e para actividades processuais diversas, como homogeneização, micronização, plastificação e tratamentos físico-biológicos, como pasteurização, esterilização e coagulação. Tem vindo a ser evidente, principalmente nas últimas décadas, que a alta pressão se poderá tornar numa das tecnologias mais importantes na área da qualidade a nível da indústria alimentar, e apresenta vantagens tanto a nível económico como ambiental, no desenvolvimento de mais processos e produtos sustentáveis para gerações futuras [18-20]. Apesar do desenvolvimento de processos de alta pressão (que utilizam pressões de 100 a 1000 MPa aproximadamente) ter surgido nos anos vinte e trinta na área de materiais, a investigação desta tecnologia tem sido particularmente activa nas últimas duas décadas, criando inúmeras oportunidades em vastas áreas, como por exemplo na microbiologia, ciência de materiais, produção de produtos alimentares, farmacêuticos e cosméticos [18, 21]. Esta técnica está inserida num campo muito específico, e que tem vindo a ser muito discutida por físicos, químicos e engenheiros químicos. O scale-up desta tecnologia, por ainda não estar muito desenvolvido, apresenta-se como uma das principais desvantagens desta tecnologia mas constitui simultaneamente o objectivo principal a atingir pela comunidade científica. O seu custo elevado, devido essencialmente ao capital inicial necessário, também é uma limitação importante a ter em conta. O tratamento por alta pressão pode provocar diversos efeitos que podem ser distinguidos. O efeito químico passa por estimular a selectividade e a taxa das reacções químicas, conjugando a possibilidade de melhorar as propriedades e qualidade dos produtos a menor custo. O objectivo passa por melhorar as condições físico-químicas e termodinâmicas das reacções, como por exemplo a densidade, equilíbrio químico, entre outros. Relativamente ao efeito bio-fisico-químico do tratamento por alta pressão, este está a ser predominantemente aplicado na indústria de produção de alimentos e de cosméticos. Para os processos de esterilização, este tipo de tratamento oferece uma alternativa ao tratamento com altas temperaturas. Existem ainda dois efeitos que estão a ser estudados 16

33 Capítulo I Revisão Bibliográfica para abrir novas portas: os efeitos físico-hidronómico e o físico-hidraúlico. O efeito físicohidronómico está relacionado com a conversão da energia potencial em energia cinética, e pode servir, por exemplo, para homogeneizar misturas; por outro lado, o efeito físicohidráulico é envolvido durante o transporte de fluidos através de uma grande pressão diferencial, como acontece no caso da filtração, entre outras aplicações [18]. Fisicamente, a pressão hidroestática pode ser gerada adicionando energia livre como, por exemplo, fornecer calor a volume constante ou reduzir de forma mecânica o volume. O aumento de pressão sob um sistema, do ponto de vista da termodinâmica, segue o princípio de Le Chatelier, pois provoca uma diminuição do volume da mistura reaccional, favorecendo o fenómeno em que ocorre uma diminuição de volume. No tratamento térmico, para o interior do produto que está a ser processado atingir a temperatura necessária leva tempo, tendo em conta o seu tamanho e as suas características termo-físicas. No tratamento com pressões elevadas, a pressão é transmitida de modo uniforme (isostática), causando o mesmo efeito na superfície e interior da amostra, independentemente do seu tamanho e estrutura. Pode afirmar-se que o aumento de pressão ao sistema é adiabático, ocorrendo algum aumento de temperatura que é negligenciável na maioria dos casos, sendo este facto uma grande vantagem a nível de scale-up [22]. Para aumentar a pressão numa amostra, o modo mais frequente é através de um líquido como água, estando a amostra devidamente protegida do contacto directo com o líquido com uma embalagem selada e flexível. A pressão é gerada através de uma bomba, e o líquido pressurizado é mantido num cilindro de aço resistente e espessura adequada. É viável nos dias de hoje atingir uma pressão na gama dos gigapascal e mantê-la constante durante um elevado intervalo de tempo. Uma das principais vantagens desta tecnologia é que manter a amostra sob pressão durante um período prolongado de tempo não requer energia adicional [21]. Para muitas reacções químicas orgânicas e inorgânicas simples a dependência da constante de equilíbrio da reacção, K, relativamente à temperatura e pressão, é conhecida e em algumas situações também é conhecido o impacto da alteração destas variáveis na cinética da reacção. A expressão quantitativa do efeito da pressão na constante de equilíbrio de uma reacção é dada pela equação de Van t Hoff (equação 2) que relaciona a 17

34 Capítulo I Revisão Bibliográfica dependência da constante de equilíbrio com a pressão. é a variação de volume do sistema reaccional que se verifica quando ocorre reacção (cm 3 /mol). (2) é útil para estimar o impacto da pressão no equilíbrio químico. Uma variação negativa de volume do sistema reaccional indica que a formação de produtos é favorecida pelo aumento de pressão. Por exemplo, as reacções de dissociação normalmente apresentam um negativo, como é o caso das moléculas de água (-22,2 cm3/mol). Relativamente a outras ligações, como a formação de pontes de hidrogénio, interacções hidrofóbicas ou forças de Van der Waals, espera-se um deslocamento do equilíbrio para a formação de produtos quando sujeitas a pressões elevadas. A velocidade das reacções químicas sob pressão depende das moléculas e do mecanismo da reacção em questão. Foi derivada uma relação da teoria do estado de transição que relaciona a constante cinética k com a pressão, semelhante à lei de Arrhenius, que por sua vez quantifica a dependência de k com a temperatura à qual decorre a reacção (equação 3). (3) O termo representa o volume de activação da reacção (cm 3 /mol). Um negativo leva a uma maior velocidade de reacção, enquanto que um positivo indica que a reacção é retardada. Exemplos de reacções aceleradas podem ser as reacções de polimerização. Para estruturas químicas complexas, como é o caso de proteínas, as informações disponíveis sobre os parâmetros e são limitadas. No entanto, está relatado que a estrutura terciária/quaternária e a estrutura secundária das proteínas são perdidas por pressões elevadas, a 200 e 400 MPa, respectivamente [23]. Resumindo, a tecnologia por alta pressão apresenta-se como uma tecnologia em desenvolvimento contínuo, e foi proposta como solução para melhorar a variável tempo numa diálise. Nesta tese, foram realizados vários ensaios no sentido de perceber se se ao 18